文献综述1112120213李小侠

题目：光子晶体光纤与传感性研究学生姓名：李小侠指导教师：张颖系（院）别：物理系专业、班级：物理学专业1202班完成时间：2015年1月4日河北科技师范学院物理专业科研技能训练文献综述—2—文献综述一、引言在信息时代的今天，手机、电脑等通信网络终端设备已经成为日常生活的必需品。半导体材料作为微电子技术的核心决定着电子通信行业的发展速度，而半导体材料的兴起源于上世纪初期物理学家们所发现的电子能带理论：晶体中的电子由于受到晶格的周期性位势散射，导致破坏性干涉在部分波段形成能隙，令电子的色散关系呈带状分布。著名的“摩尔定律”归纳了信息技术的进步速度，半导体元件的集成度每十八个月就会翻一番。然而，在繁荣的背后我们不得不面对的现实就是半导体技术正在迈向物理上和技术上的极限，即速度极限和密度极限，这些不可逾越的极限已经成为抑制信息技术进一步发展的瓶颈。物理学家们寻得的最佳解决方案是以光子代替电子作为信息的载体，这一点在科学界已达成共识。自上个世纪中期以来，伴随着激光技术的发展光子技术取得了长足的进步。但是光子并不像电子那样易于操控，光信息技术还止步于信息传输(即光通信)领域的应用，而在信息处理的核心部分仍然主要依赖于电子技术。幸运的是，近年以来发展起来的纳米技术和光学技术交叉结合，催生了光子晶体这一全新的物理概念。1987年，E.Yablonovitch[1]及S.John[2]不约而同地指出，在光子系统中也存在类似于电子能带结构的光子能带。将具有不同介电常数的两种或多种材料周期性的排列起来，电磁波在其中传播时，某些波段的电磁波的强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，从而导致无法传输，形成了频谱中的能隙，色散关系也呈现带状分布。这种具有光子能带结构的介电材料被称为光子晶体（PhotonicCrystal，PC）。虽然光子晶体的概念才刚刚被人们所了解，但是在自然界中早已存在具有这种性质的物质了，如由SiO2沉积而成的色彩斑斓的蛋白石、布满鳞粉的蝴蝶翅膀，都是由于其中周期性排列的微结构形成了光子带隙，某些波长的光被反射而在其表面呈现出不同的颜色。从光子晶体材料的结构上看，光子晶体不同于传统意义上的晶体，它是一种在光学尺度上存在周期性的介电结构，其“晶格”尺寸与电磁波的波长相当，所以说不是真正意义上的晶体。光子晶体对电磁波的调制类似于半导体晶格对电子波函数的调制。在光子能带之间出现的带隙称为光子带隙(PhotonicBandGap，PBG)。当光子能量处在光子带隙中时，光子将会完全的反射回去而不能进入该“晶体”。光子晶体材料与半导体材料有许多相似之处，因此我们可以借鉴半导体材料的理论模型和研究思路，通过设计和制造光子晶体及其器件，来达到对光波的调制与操纵的目的。1989年，E.Yablonoviteh和T.J.Gmitter首次制成了光子晶体材料，在实验中证实了三维光子带隙结构的存在[3]。光子晶体材料的另一个重要特点就是光子局域，当光子晶体中出现缺陷的时候，原来的对称性遭到破坏，在能谱中带隙的位置会出现很窄的局域态，也叫缺陷态，此时处于局域态的光子不再受能隙的限制，得以在光子晶体中传播。在光子晶体中人为地制造缺陷是操纵和控制光子的关键所在。近几年来，在光波导[4]、激光器[5]、光开关[6]、波分复用器[7]等等很多领域都能看到由光子晶体材料制成的光学器件。按照光子晶体材料中介电常数分布的周期性的维度不同，可将其分为一维、二维、三维光子晶体，一维光子晶体也就是通常说的层状介电材料，对它的研究很早就已经开始了，只是当时没有从“晶体”的角度来处理而已，在波段选择器、滤波器、反射镜[8]等器件上的应用十分广泛。二维光子晶体的典型代表就是本人将要重点研究的光子晶体光纤。三维光子晶体作为真正意义上的光子晶体材料，它的制备是材料学领域的一大挑战，将两种或两种以上不同的介质周期性的排布起来，而且各种介河北科技师范学院物理专业科研技能训练文献综述—3—质间距都要达到光学尺度，可见三维光子晶体的实际制作困难重重。已报道的方法有机械打孔法[9]、逐层堆积法[10]、胶体自组织法[11]、微制造技术[12-13]等等。光子晶体必将带来信息技术领域的重大变革，这一点毋庸置疑，但是要想真正实现它的应用，还任重而道远，在理论设计方法的完善、样品的准确制备、低成本产业化等许多方面都需要科研人员投入更多的研究。二、发展过程1966年，丹麦技术大学电磁系和英国南安普顿大学光电研究中心首次制备出了光子晶体光纤。同年，莫斯科大学A．M．Zhehikov等人在对包层周期分布着空气孔的多孔光纤进行究时发现，如果改变多孔光纤包层的几何结构，就可以有效的增强光纤中的非线性效应。因此在脉冲压缩、光孤子的形成和受激拉曼散射的增强中得到了应用。2001年，英国Bath大学Wadsworth等人制作出了双包层结构的光子晶体光纤。这种光子晶体光纤掺杂场3+离子，其纤芯半径为7．6μm，数值孔径为0．1l；内包层半径为7．5μm，数值孔径为0．8。如果利用20W光纤耦合二极管阵列泵浦17m长的该光纤，可以获得3．9W功率输出和21％的斜率效率。在进一步的研究中，他们还发现双包层光子晶体光纤存在随机的散射中心，这些现象说明纤芯中存在着缺陷，光子晶体光纤的结构有待进一步的完善。2006年，澳大利亚悉尼大学的A．Argyros等人和M．vanEijkelenborg等人分别用聚合物材料拉制出了空气传导光子带隙光纤[11]和矩形纤芯的光子晶体光纤[12]。这些由聚合物材料拉制出的各种光子晶体光纤具有很大的灵活性，这是因为他们在拉制时使用了不同于传统石英材料的PCF堆拉法的拉制工艺。2007年，张明明、马秀荣等人通过增大两个与纤芯相邻的空气孔的孔径，使光纤有且只有重对称性，这样光纤就呈现出较高的双折射性。然后压缩x轴方向孔间距，从而使双折射度进一步增大，最终获得了一种高双折射PCF[13]。他们接着采用全矢量有限单元法，对该PCF的基模对应的相对双折射和群双折射进行了研究。研究中他们计算出了该PCF双折射随输入光波长的变化曲线，最终他们获得了10[-3]量级的高双折射。目前，PCF的研究内容非常丰富，简单介绍几个方面：PCF的材料和拉制工艺的研究；PCF本身特性的研究[14,15]，如模式特性[16]，损耗特性，色散特性[17]，双折射特性[18]等，这些研究都是建立在数学模型上进行的；PCF器件方面的研究，如PCF之间的熔接[19]，PCF开关[20]，PCF光栅，PCF激光器等；PCF非线性的研究和应用[21]，如超连续谱的产生，孤子效应等。三、研究现状目前对PCF的制作和基本特性的理解已经取得很大进展。但在理论上，可靠、精确地预测其传输特性方面还没有令人满意的数值模型而这是PCF技术成功发展的基本工具。Birks等提出的有效折射率模型忽略PCF截面的复杂折射率分布而不能精确预PCF的色散、偏振等模式特性；Silvertre等提出的全矢量法可以预测PCF的模式特性，但要对截面的折射率分布作周期性延拓限制其在PCF中的应用；超元胞方法引，实际上它是二维子晶体的超平面情况的应用该方法先给出传播常数，然后求解1个本征值方程，解出能量，即光的频率，从而得到模式情况，然而传播常数总是不知道的，另外，材料介质色散比较大时，必须考虑介质的介电常数随频率的变化而改变，此时该方法就无能为力了；Monro等提出的混合方法要求PCF的空气孔径与孔间距之比足够小才能有精确的结果.应用方面，从目前情况看，光子晶体光纤用于长途通信，还有工艺上的一些问题有待解决。河北科技师范学院物理专业科研技能训练文献综述—4—光子晶体光纤的优异性能如宽波长范围内的单模运转、短波长零色散、有源掺杂、大模面积等已研制出许多新型光纤器件，光纤激光器、放大器、光开关、滤波器、波长变换器、利用非线性效应的孤子发生器、光纤偏振器等。随着这些器件的开发和实用化的发展，出现的问题是：如果在光子晶体光纤作为长距离传输介质使用之前，这些器件在目前的普通单模光纤通信线路中使用，两者如何耦合?这是光子晶体光纤实用进程中必须解决的问题。四、研究意义对新材料的探索一直是人类奋斗的目标和进步的手段．光子晶体光纤是一种新概念下的新材料。PCF的结构特性突破了传统渡导周有结构的限制，它可以实现传统光纤所无法比拟的许多优良特性，例如：空气纤芯传导、无截止单模传输、可设计的色散特性和模场面积等等。利用光子晶体光纤可实现超高非线性和灵活设计的色散特性，可以容易地实现从紫外到红外的超连续谱。这些特性很好地解决了超连续光源研究中所遇到的技术障碍。还可以在PCF空气孔中填充温度或电压敏感材料，为滤波嚣调谐技术提供一种有效途径。利用空芯光于带隙限制光于晶体光纤具有低非线性和强波导色散的特点．可实现全光纤化高功率超短脉冲源。在空芯光子带隙光纤的纤芯中注入不同的气体或者液体，可实现小型化全光纤气室，填充纳米量子点材料可以实现各种波长的纯频激光振荡等，其应用潜力极大。特别是PCF具有灵活的空气孔结构．人们可根据所需要的光传输特性来灵活的设计PCF的结构，因此研究人员和投资商对PCF表现出极大的兴趣，投入大量资金和精力进行开发。由于PCF的各种优良特性和它在光器件方面具有的广阔而明确的应用前景，因此加大对其研究的力度是十分必要的。光子晶体光纤具有无截止单模传输、奇异的色散、高双折射等特性。这些特性是传统光纤所没有的特性。因此光子晶体光纤必将给光纤通信及相关领域带来一个全新的发展空间。五、主要工作光子晶体光纤是近些年来出现的新型光波导传输材料，作为传统光纤的替代品，它有着与传统光纤完全不同的传光机制，同时也表现出了优于传统光纤的性能，通过合理的结构设计可以实现在传统光纤中很难实现的特性，如无尽单模传输、可调节的色散、显著的非线性效应、极低的损耗等等。利用其制成的光子晶体光纤传感器件也以结构简单、制作便捷、性能优异等特点而吸引了很多的研究关注。本人的研究工作主要围绕设计新型的光子晶体光纤和研制新型的光子晶体光纤传感器这两个主题开展。六、参考文献[1]YablonovitchE．，Inhibitedspontaneousemissioninsolid-statephys-iccsandelectronics[J]．PhysicsReviewLetters，1987，58：2059．[2]JohnS．，Stronglocalizationofphotonsincertaindisordereddiale-ctricsuperlattices[J]．PhysicsReviewLetters，1987，58：2486．[3]TakanoH．，AkananeY．，AsanoT．，In-plane—typechanneldropfilter-inatwo-dimensionalphotoniccrystalslab[J]．AppliedPhysicsLetters，2004，81(13)：2226-2228．[4]KimS．，NordinG．P．，CaiJ．B．，JiangJ．H．，Ultracompacthigh-effici-encypolarizingbeamsplitterwithahybridphotoniccrystalandconventionalwaveguidestructure[J]．OpticsLetters，2003，28(23)：2384．河北科技师范学院物理专业科研技能训练文献综述—5—[5]Cuesta-SotoF．，MartinezA．，GarciaJ．，RamosF．，etal，A11-opticalswitchingstructurebasedonaphotoniccrystaldirectionalcoupler[23．0pticsExpress，2004，12(1)：161—167．[6]KnightJC，BirksTA，RussellP．St．J，etal，A11-Silicasingle-modeopticalfiberwithphotoniccrystalclad